Оптимальные электрические режимы работы термоэлектрического элемента.

Оптимальные электрические режимы работы термоэлектрического элемента.

Эффективность работы термоэлектрического элемента (термоэлектрической батареи) характеризуется следующими параметрами: удельной электрической мощностью Nуд  и кпд  η. Обе величины зависят сопротивления нагрузки по отношению к внутреннему сопротивлению термоэлемента, т. е. нагрузочного коэффициента m. Каждый из основных параметров имеет свой оптимальный режим работы. Для определения оптимума при постоянной температуре на спаях необходимо рассмотреть зависимость Nуд и η от m. При изменении m и сохранении постоянства ТГ и ТХ будет меняться величина теплового потока, проходящего через термоэлемент. Задавая условие постоянства ТГ и ТХ , мы не рассматриваем проблему обеспечения подвода и отвода тепла, т. е. исследуем работу термоэлемента в идеальных условиях.

На рисунке представлена нагрузочная характеристика термоэлектрического модуля, т.е. зависимость его энергетических параметров от тока нагрузки, причем при ∆Т=const термоэдс термоэлемента остается постоянной, а зависимость напряжения от тока в нагрузке является линейной.

1

Полная теплопроводность термоэлемента и передаваемый через него тепловой поток QГ растут нелинейно с ростом тока за счет увеличения кT. Максимум  η смещен влево от максимума N (мощности) в сторону больших значений m. При незначительном снижении мощности в области его максимума кпд η растет из-за снижения передаваемого через термоэлемент потока тепла. Нагрузочный коэффициент m изменяется от нуля — режим короткого замыкания (I=Iкз) до m=1 в центре характеристики, когда I=0,5 Iкз, а u=0,5Е (термоэдс) и  m при I → 0, приближаясь к режиму холостого хода.

Из условия  dNуд / d m = 0  получаем, что максимум мощности обеспечивается в центре нагрузочной характеристики (см. рисунок).

m1 =1                                                        (1.23)

Дифференцируя (1.21), получаем оптимальную величину m, при которой кпд имеет максимум

m=M2=корень квадратный из (1+ZTср.) (1.24)